KR101270582B1 - Gps/ins 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치 - Google Patents

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신동호
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치는, GPS 유도 킷드가 탑재된 유도탄의 위치, 속도, 자세 정보 중 적어도 하나를 포함하는 통합 항법 정보를 제공하는 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치에 있어서, 상기 유도탄의 GPS 신호와 상기 유도탄의 가속도 및 각속도 정보를 포함하는 관성 데이터를 생성하는 GPS/IMU 시뮬레이터; 상기 GPS/INS 통합 항법 시스템에 포함된 GPS 수신기 카드(GRC : GPS Receiver Card)와 통합 항법 카드(INC : Integration Navigation Card)가 장착되고, 상기 통합 항법 카드에 의한 상기 유도탄의 모의적인 운용을 제어하는 통합 항법 시스템 점검부; 및 상기 유도탄의 모의적인 운용을 모니터링하고, 상기 모의적인 운용을 제어하기 위한 제어 명령을 생성하는 제어부;를 포함하며, 상기 GPS/INS 통합 항법 시스템에서, 상기 GPS 수신기 카드는 상기 유도탄의 투하 후 GPS 항법 정보를 상기 통합 항법 카드로 전송하고, 상기 통합 항법 카드는 상기 투하 후 GPS 항법 정보와 상기 관성 데이터를 기초로 상기 유도탄의 통합 항법을 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치{PERFORMANCE VERTIFICATION DEVICE FOR GPS/INS INTEGRATED NAVIGATION SYSTEM}
본 발명은 GPS/INS 통합 항법 시스템을 모사하고 그 성능을 평가할 수 있는 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치에 관한 것이다.
일반적으로 GPS/INS 통합 항법 시스템은 독자적인 항법해 정보를 계산하여 출력할 수 있으며, 적용되는 체계에 따라 상위 운용체계의 유도 조종을 위한 항법해 정보를 출력할 수 있다.
GPS/INS 통합 항법 시스템이 상위 운용체계의 부 체계로 적용시, 체계의 운용 특성에 의해 항법 성능을 확인하는데 외부 요인이 작용하게 된다. 그 결과, 항법 성능이 정량적으로 확인되기 어렵다는 문제점이 발생한다.
또한, 다양한 부 체계와의 결합으로 항법 성능을 확인하는데 시간 및 공간 운용상의 제약이 발생하게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, GPS/INS 통합 항법 시스템의 운용을 모의하고 이를 실시간으로 확인 및 제어할 수 있는 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치는, GPS 유도 킷드가 탑재된 유도탄의 위치, 속도, 자세 정보 중 적어도 하나를 포함하는 통합 항법 정보를 제공하는 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치에 있어서, 상기 유도탄의 GPS 신호와 상기 유도탄의 가속도 및 각속도 정보를 포함하는 관성 데이터를 생성하는 GPS/IMU 시뮬레이터; 상기 GPS/INS 통합 항법 시스템에 포함된 GPS 수신기 카드(GRC : GPS Receiver Card)와 통합 항법 카드(INC : Integration Navigation Card)가 장착되고, 상기 통합 항법 카드에 의한 상기 유도탄의 모의적인 운용을 제어하는 통합 항법 시스템 점검부; 및 상기 유도탄의 모의적인 운용을 모니터링하고, 상기 모의적인 운용을 제어하기 위한 제어 명령을 생성하는 제어부;를 포함하며, 상기 GPS/INS 통합 항법 시스템에서, 상기 GPS 수신기 카드는 상기 유도탄의 투하 후 GPS 항법 정보를 상기 통합 항법 카드로 전송하고, 상기 통합 항법 카드는 상기 투하 후 GPS 항법 정보와 상기 관성 데이터를 기초로 상기 유도탄의 통합 항법을 수행하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 통합 항법 시스템 점검부는, 상기 GPS/INS 통합 항법 시스템에 포함된 GPS 수신기 카드와 통합 항법 카드가 장착되는 항법 카드 장착부; 상기 통합 항법 카드에 의한 상기 유도탄의 모의적인 운용을 제어하는 GCC 모의부; 전원을 공급받는 전원 입력/분배부; 및 상기 유도탄의 GPS 신호, 관성 데이터 및 제어 명령이 입력되는 외부 인터페이스 입력부;를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 통합 항법 시스템 점검부는, 상기 외부 인터페이스 입력부를 통해 데이터를 송수신할 수 있는 GPS 수신기 카드 및 통합 항법 카드를 스위칭 동작으로 연결시키는 인터페이스 선택부;를 더 포함하며, 상기 GCC 모의부는, 상기 스위칭 동작으로 연결된 통합 항법 카드에 의한 유도탄의 모의적인 운용을 제어할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상위 운용 시스템의 동작을 모의할 수 있다. 또한, 상용의 GPS/INS 시뮬레이터를 이용하여 적용하고자 하는 시스템의 동적 특성을 최대한 모의할 수 있다. 그리고 실시간으로 항법 성능을 확인함에 따라, 항법 성능 평가의 효율성이 높아지게 된다.
도 1은 GPS 유도 폭탄의 탄성능 계측 시험 중 GPS/INS 통합 항법과 관련된 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치를 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 4는 점검장치 본체의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 5는 점검장치에서의 내/외부 신호 흐름의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 6은 외부 입출력 확장을 위한 점검장치 인터페이스의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 7은 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치에서 수행되는 유도탄의 모의적인 운용 순서를 보여주는 개념도이다.
도 8은 PDU GPS 데이터의 전송 지연 모의를 위한 GCC 모의 프로그램의 흐름도이다.
도 9는 점검장치 운용 프로그램의 구조를 보여주는 개념도이다.
도 10은 점검장치 운용 프로그램의 운용 순서를 보여주는 흐름도이다.
도 11 및 도 12는 도 9의 SELECT부 및 도 10의 응답 메시지 처리 테스크에 대응되는 사용자 인터페이스를 보여주는 개념도이다.
도 13은 점검장치와 운용 프로그램을 연결하기 위한 사용자 인터페이스를 보여주는 개념도이다.
도 14 내지 도 16은 도 9의 TOOL부 및 도 10의 프로그램 운용 점검 S/W를 시작하는 과정에 대응되는 사용자 인터페이스를 보여주는 개념도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
GPS 유도 폭탄은 재래식 폭탄에 GPS 유도 킷트를 부착하여 목표물을 정확하게 타격할 수 있도록 개발된 것으로, GPS/INS 통합 항법 시스템은 GPS 유도 폭탄에 위치, 속도, 자세 등의 항법해를 제공해준다.
본 발명에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치는 이와 같은 GPS/INS 통합 항법 시스템의 운용을 모사하고 그 성능을 평가하는 장치이다.
항법 시스템의 성능은 랩(Lab) 테스트와 필드(Field) 테스트로 평가될 수 있다. 랩 테스트에는 모델링 및 모의 시험(M&S) Tool을 이용한 테스트와 실제 운용 환경을 모사하기 위한 HILS를 통한 테스트가 포함될 수 있다. 그리고 필드 테스트는 항법 모듈만 단독으로 탑재하여 수행하는 차량 시험과 유도 킷트의 체계 조립 이후 수행하는 비행 적합성 시험(captive flight test) 및 실제 투하 시험으로 구성될 수 있다.
항법 시스템은 자체적으로 성능을 평가할 수 있는 BIT(Built-In-Test) 기능을 탑재하고 있으나, BIT를 통하여 점검할 수 있는 부분은 인터페이스를 비롯한 하드웨어의 일부 기능으로 제한된다. 따라서, 항법 시스템의 전반적인 성능을 점검할 수 있는 검증 장치의 개발이 요구된다.
도 1은 GPS 유도 폭탄의 탄성능 계측 시험 중 GPS/INS 통합 항법과 관련된 블록도이다.
도 1을 참조하면, 투하 전 비행기의 날개에 장착되어 있는 GPS 유도 폭탄은 조종석의 PDU(Pilot Display Unit)로부터 GPS 항법 데이터를 수신하여, 통합 항법을 수행한다. 그 후, 투하된 GPS 유도 폭탄은 유도 킷트에 내장된 GRC(GPS Receiver Card)로부터 GPS 항법 데이터를 수신하여 목표까지 항법을 수행한다.
도 1과 같은 실제 운용 환경을 구축하고 시험하는 경우, 시간 및 외부 요인에 의한 제약이 발생하게 된다.
본 발명에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치는 실제 운용 환경과 유사한 시험 구성을 통해 통합 항법 장치의 성능을 독립적으로 모의 시험하고 그 결과를 제공하게 된다. 그 결과, 실제 운용에서의 항법 정확도에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치는 GPS/IMU 시뮬레이터(210), 통합 항법 시스템 점검부(220) 및 제어부(230)를 포함한다.
앞서 설명한 바와 같이, GPS/INS 통합 항법 시스템은 GPS 유도 킷드가 탑재된 유도탄(GPS 유도 폭탄)의 위치, 속도, 자세 정보 중 적어도 하나를 포함하는 통합 항법 정보를 제공해준다.
GPS/IMU 시뮬레이터(210)는 유도탄의 GPS 신호와 유도탄의 가속도 및 각속도 정보를 포함하는 관성 데이터를 생성한다. 실시 예로, GPS/IMU 시뮬레이터(210)는 상용의 GPS 시뮬레이터와 IMU(Inertial Measurement Unit) 시뮬레이터로 구현될 수 있다. 즉, GPS/IMU 시뮬레이터(210)는 도 1의 GPS 위성 시스템과 IMU의 출력을 모사한다.
통합 항법 시스템 점검부(220)는 GPS/INS 통합 항법 시스템에 포함된 GPS 수신기 카드(GRC : GPS Receiver Card)와 통합 항법 카드(INC : Integration Navigation Card)가 장착되고, 통합 항법 카드에 의한 유도탄의 모의적인 운용을 제어한다.
실제 GPS/INS 통합 항법 시스템에 있어서, GPS 수신기 카드는 유도탄의 투하 후 GPS 항법 정보를 통합 항법 카드로 전송해준다. 또한, 통합 항법 카드는 투하 후 GPS 항법 정보와 관성 데이터를 기초로 유도탄의 통합 항법을 수행한다.
제어부(230)는 유도탄의 모의적인 운용을 모니터링하고, 모의적인 운용을 제어하기 위한 제어 명령을 생성한다.
도 3은 본 발명에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 상용의 GPS 시뮬레이터와 IMU 시뮬레이터(210)는 시각 동기가 되어 있어 임의의 동적 및 정적 궤적을 생성한다. 그 후, 이를 기초로 GPS RF 신호와 IMU 원시 데이터를 생성한다. 또한, 상용의 GPS 수신기를 이용하여 투하 전 항법을 위한 GPS 항법 데이터(정보)를 생성한다.
점검장치 본체(220)에는 시험하고자 하는 GRC 및 INC가 장착되고, 점검장치 본체(220)는 INC에 의한 유도탄의 모의적인 운용을 제어한다.
이러한 유도탄의 모의적인 운용은 점검용 PC(230)에서 실행되는 점검장치 운용 프로그램을 통해 생성된 제어 명령에 따라 이루어진다.
도 4는 점검장치 본체(220)의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 4의 (a)는 점검장치 본체(220)의 전면 형상을 나타낸 개념도이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 우측에 배치되어 있는 GPS 및 외부 신호의 입력을 위한 커넥터는 외부의 입력을 내부의 보드로 연결해준다. 좌측에는 전원 공급을 위한 스위치가 배치되어 있다.
도 4의 (b)는 점검장치 본체(220)의 내부 형상(내부 보드)을 나타낸 개념도이다.
도 4의 (b)를 참조하면, 내부 보드에는 전원 입력/분배부(420), GCC(GCC : Guidance Control Card) 모의보드(422), 항법 카드 장착부(424), 인터페이스 선택부(426) 및 외부 인터페이스 입력부(428)가 배치된다.
내부 보드의 우측에 배치된 항법 카드 장착부(424)에 GRC 및 INC가 장착된다. 그리고 GCC 모의부(422)는 도 1의 PDU와 DTC(Data Transfer Card)의 투하 전 GPS 항법 데이터 전송 기능을 모사 하며, 통합 항법 시스템의 상위 체계로서 항법의 운용을 제어할 수 있다.
한편, 도 5는 점검장치(220)에서의 내/외부 신호 흐름의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 5를 참조하면, 점검장치(220) 내부에서는 유도탄의 모의적 운용을 위한 신호들이 전송된다. 또한, 점검장치(220)는 외부 확장 입출력을 통해 외부의 GRC 및 INC를 연결하여 사용할 수 있도록 설계되었으며, GRC, INC 점검 콘솔을 통해 F/W의 다운로드도 가능하다.
도 6은 외부 입출력 확장을 위한 점검장치 인터페이스의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 6을 참조하면, Main 입력포트를 통해 외부 GRC 및 INC와 IMU 가 연결될 수 있다. 즉, 인터페이스 선택부(426)에 배치된 스위치를 통해 성능을 평가할 GRC 및 INC를 선택할 수 있다.
도 7은 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치에서 수행되는 유도탄의 모의적인 운용 순서를 보여주는 개념도이다.
점검 프로그램(230)에서 전송한 제어 명령은 GCC 모의부(422)에서 INC로 전송된다. 그 후, INC는 운용 모드에 따라 도 7에 도시된 순서로 동작하여 생성된 항법 결과를 도 1의 계측 정보 전송과 동일한 포맷의 유도 조종 계측 정보로 GCC 모의부(422)에 전송한다.
다음으로, GCC 모의부(422)는 수신한 계측 정보를 점검 프로그램(230)에 전송한다. 그 결과, 점검자는 항법 결과를 실시간으로 확인할 수 있다. 또한, 저장된 계측 정보를 후처리하여 보다 정확한 분석을 수행할 수 있다.
한편, 도 1에서 무선 전송되는 PDU GPS 항법 데이터가 DTC와 GCC를 거쳐 INC로 전송되는 동안 시간 지연이 발생하게 된다. 따라서, GCC 모의부(422)는 실제 환경과 유사한 구현을 위해 이와 같은 시간 지연을 고려해야 한다.
도 8은 PDU GPS 데이터의 전송 지연 모의를 위한 GCC 모의 프로그램의 흐름도이다.
도 8을 참조하면, GCC 모의 프로그램은 GCC 모의부(422)의 투하 전 항법 명령 전송 구조를 구현하여 GPS 항법 데이터의 시간 지연에 따른 항법의 특성을 분석하고, 이를 적용할 수 있게 해준다.
시간 지연은 0 내지 2초 이내의 임의의 값으로 설정될 수 있으며, 시간이 갱신되는 지점에서의 데이터 오염을 피하기 위해 0.9 내지 1.1 초의 시간 지연은 주지 않도록 설계될 수 있다.
도 9는 점검장치 운용 프로그램의 구조를 보여주는 개념도이다.
도 9를 참조하면, 점검장치(220)를 운용하기 위한 프로그램은 크게 통신 연결부(910), 항법 데이터 및 상태 시현부(920) 및 항법 데이터 저장부(930)로 구성될 수 있다.
도 10은 점검장치 운용 프로그램의 운용 순서를 보여주는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 점검장치(220)를 운용하기 위한 프로그램은 운용 점검 S/W를 시작하는 과정(a)과 명령어 전송(b), 응답 메시지 처리(c), 메시지 출력 및 저장(d) 등의 테스크를 진행하게 된다.
도 11 및 도 12는 도 9의 SELECT부(910) 및 도 10의 응답 메시지 처리 테스크(c)에 대응되는 사용자 인터페이스를 보여주는 개념도이다.
구체적으로, 도 11은 점검장치 운용 프로그램의 GPS/INS 출력 윈도우를 나타낸 것이고, 도 12는 점검장치 운용 프로그램의 GPS 항법 정보 출력 윈도우를 나타낸 것이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, GPS/INS 통합 항법 데이터의 시현, 명령 전송, 카드 상태 등의 통합 정보를 시현할 수 있다. 또한, GRC의 GPS 항법 데이터 및 상태, 원시 측정치를 출력하여 GRC의 항법 상태를 실시간으로 확인할 수 있다. 그리고 관성 센서의 데이터를 수집하여 센서의 상태를 점검할 수 있다.
도 13은 점검장치와 운용 프로그램을 연결하기 위한 사용자 인터페이스를 보여주는 개념도이다.
도 13을 참조하면, 연결 설정 윈도우는 도 9의 FILE부(910) 및 도 10의 프로그램 운용 점검 S/W를 시작하는 과정(a)에 대응되는 사용자 인터페이스를 나타낸다. 즉, 연결 설정 윈도우를 통해 통신의 연결 및 해제를 수행할 수 있다.
또한, 운용 프로그램에서 GCC 모의부(422)로 전송하는 명령은 도 10의 명령어 전송 테스크(b)와 같은 구조로 설계되고, 명령을 수신한 GCC 모의부(422)가 해당 명령을 수행하게 된다.
도 14 내지 도 16은 도 9의 TOOL부(930) 및 도 10의 프로그램 운용 점검 S/W를 시작하는 과정(a)에 대응되는 사용자 인터페이스를 보여주는 개념도이다.
구체적으로, 도 14는 데이터 로그 윈도우를 나타내고, 도 15는 로그 데이터 추출 윈도우를 나타내며, 도 16은 계측시험 데이터 추출 윈도우를 나타낸다.
점검자는 이와 같은 윈도우를 통해 INC가 GCC로 전송하는 유도 조종 계측 데이터를 수집 저장하며 이를 추출하도록 제어할 수 있다. 또한, 비행 계측 데이터의 변환 툴을 이용하여 비행 시험을 통해 수집된 계측 데이터를 추출할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 의하면, 상위 운용 시스템의 동작을 모의할 수 있다. 또한, 상용의 GPS/INS 시뮬레이터를 이용하여 적용하고자 하는 시스템의 동적 특성을 최대한 모의할 수 있다. 그리고 실시간으로 항법 성능을 확인함에 따라, 항법 성능 평가의 효율성이 높아지게 된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치는 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (3)

  1. GPS 유도 킷드가 탑재된 유도탄의 위치, 속도, 자세 정보 중 적어도 하나를 포함하는 통합 항법 정보를 제공하는 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치에 있어서,
    상기 유도탄의 GPS 신호와 상기 유도탄의 가속도 및 각속도 정보를 포함하는 관성 데이터를 생성하는 GPS/IMU 시뮬레이터;
    상기 GPS/INS 통합 항법 시스템에 포함된 GPS 수신기 카드(GRC : GPS Receiver Card)와 통합 항법 카드(INC : Integration Navigation Card)가 장착되고, 상기 통합 항법 카드에 의한 상기 유도탄의 모의적인 운용을 제어하는 통합 항법 시스템 점검부; 및
    상기 유도탄의 모의적인 운용을 모니터링하고, 상기 모의적인 운용을 제어하기 위한 제어 명령을 생성하는 제어부;를 포함하며,
    상기 GPS/INS 통합 항법 시스템에서,
    상기 GPS 수신기 카드는 상기 유도탄의 투하 후 GPS 항법 정보를 상기 통합 항법 카드로 전송하고, 상기 통합 항법 카드는 상기 투하 후 GPS 항법 정보와 상기 관성 데이터를 기초로 상기 유도탄의 통합 항법을 수행하는 것을 특징으로 하는 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 통합 항법 시스템 점검부는,
    상기 GPS/INS 통합 항법 시스템에 포함된 GPS 수신기 카드와 통합 항법 카드가 장착되는 항법 카드 장착부;
    상기 통합 항법 카드에 의한 상기 유도탄의 모의적인 운용을 제어하는 GCC 모의부;
    전원을 공급받는 전원 입력/분배부; 및
    상기 유도탄의 GPS 신호, 관성 데이터 및 제어 명령이 입력되는 외부 인터페이스 입력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 통합 항법 시스템 점검부는,
    상기 외부 인터페이스 입력부를 통해 데이터를 송수신할 수 있는 GPS 수신기 카드 및 통합 항법 카드를 스위칭 동작으로 연결시키는 인터페이스 선택부;를 더 포함하며,
    상기 GCC 모의부는, 상기 스위칭 동작으로 연결된 통합 항법 카드에 의한 유도탄의 모의적인 운용을 제어하는 것을 특징으로 하는 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치.
KR1020130023844A 2013-03-06 2013-03-06 Gps/ins 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치 KR101270582B1 (ko)

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